Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Применение электронно-лучевой трубки

Cтраница 1

Работа электронно-лучевой трубки основана на двух физических явлениях. Первое - это свечение некоторых веществ, называемых люминофорами, при их бомбардировке потоком электронов, причем свечение остается видимым в течение некоторого времени и после прекращения бомбардировки. Второе явление заключается во влиянии электрического поля на траекторию полета электронов, что позволяет разогнать пучок электронов до высокой скорости, сфокусировать его до очень тонкого луча и перемешать луч по полю экрана для получения на экране видимого следа.  

Работа электронно-лучевой трубки опирается на три физических явления.  

Для изучения принципа работы электронно-лучевых трубок с магнитным управлением необходимо предварительно ознакомиться с законом движения электрона в магнитном поле.  

Потенциал ускоряющего анода в процессе работы электронно-лучевой трубки обычно поддерживается неизменным.  

Итак, мой любезный Незнайкин, я должен объяснить тебе устройство и принципы работы электронно-лучевой трубки, так как она применяется в телевизионных передатчиках и приемниках.  

Большие успехи в технике высокого вакуума, достигнутые в последнее время, а именно разработка мощных вакуумных насосов и цельнометаллических конструкций для катодного возбуждения образцов (типа электронных микроскопов) в значительной степени устранили трудности, связанные с работой высоковакуумных разборных электронно-лучевых трубок. Смена образцов в таких конструкциях, снабженных смотровыми окнами для наблюдения катодолюминесценции, производится без нарушения вакуума во всей системе через специальные металлические дверцы. Вместе с промежуточной откачкой объема, занимаемого образцами, эта операция занимает не более нескольких минут.  

Сложное сочетание электродов - катода, сеток и анодов - образует своего рода электронную пушку или электронный прожектор, создающий узкий пучок быстро летящих заряженных частиц. Но работа электронно-лучевой трубки на этом не Кончается. Ведь надо еще, чтобы электронный луч двигался по экрану - по широкому дну лучевой трубки и одну за другой прочерчивал на нем строчки светящегося изображения. Для этого необходимо сообщить лучу два движения: горизонтальное, вдоль каждой строчки, и вертикальное, от одной строчки к другой.  

Основной задачей оконечного или выходного каскада видеоусилителя является управление работой трубки индикатора. Как уже указывалось, для управления работой электронно-лучевой трубки (кинескопов телевизионных приемников осциллографических, индикаторных) и других оконечных устройств требуются импульсные сигналы от 10 до 100 В.  

Ионный ток образуется также в газах: в неоновых лампах, газотронах и пр. В электронных лампах основной ток - электронный, но здесь могут параллельно существовать и ионные токи, потому что оставшиеся в колбе лампы атомы и молекулы газа могут ионизироваться в результате столкновения с электронами, летящими с большой скоростью. Например, работа электронно-лучевых трубок основана на использовании тонкого пучка электронов (электронного луча), но наряду с этим в трубках образуются и ионы.  

Электронно-лучевыми трубками называют электронные приборы, у которых электронный поток, выходящий из катода, фокусируется электрическим или магнитным полем в узкий пучок - электронный луч. По способу фокусировки и отклонения электронного луча электронно-лучевые трубки подразделяют на три типа: 1) с электростатическими фокусировкой и отклонением луча; 2) с электромагнитными фокусировкой и отклонением луча; 3) с фокусировкой электростатическим полем и отклонением луча магнитным полем. Рассмотрим принцип работы электронно-лучевой трубки первого типа.  

Студент должен знать : структурную схему осциллографа; назначение основных блоков осциллографа; устройство и принцип действия электронно-лучевой трубки; принцип действия генератора развертки (пилообразного напряжения), сложение взаимно перпендикулярных колебаний.

Студент должен уметь : определять опытным путем цену деления по горизонтали и по вертикали, измерять величину постоянного напряжения, период, частоту и амплитуду переменного напряжения.

Краткая теория Структура осциллографа

Электронный осциллограф является универсальным прибором, позволяющим следить за быстропротекающими электрическими процессами (длительностью до 10 -12 с). С помощью осциллографа можно измерить напряжение, силу тока, промежутки времени, определять фазу и частоту переменного тока.

Т.к. в функционирующих нервах и мышцах живых организмов возникают разности потенциалов, то электронный осциллограф, или его модификации широко применяют в биологических и медицинских исследованиях работы различных органов, сердца, нервной системы, глаз, желудка и т.д.

Прибор можно использовать для наблюдения и измерения неэлектрических величин, если применять специальные первичные преобразователи.

В осциллографе нет движущихся механических частей (см. рис. 1), а происходит отклонение электронного пучка в электрическом или магнитном полях. Узкий пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом, вызывает его свечение в этой точке. При перемещении пучка электронов можно следить за ним по движению светящейся точки на экране.

Электронный луч «следит» за изменением изучаемого электрического поля не отставая от него, т.к. электронный луч является практически безинерционным.

Рис. 1. Рис. 2.

Структура электронно-лучевой трубки Катод и модулятор

В этом большое достоинство электронного осциллографа по сравнению с другими регистрирующими приборами.

Современный электронный осциллограф имеет следующие основные узлы: электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), генератор развертки, усилители, блок питания.

Устройство и работа электронно-лучевой трубки

Рассмотрим устройство электронно-лучевой трубки с электростатической фокусировкой и электростатическим управлением электронным лучом.

ЭЛТ, схематически изображенная на рис. 1, представляет собой стеклянную колбу специальной формы, в которой создан высокий вакуум (порядка 10 -7 мм рт.ст.). Внутри колбы расположены электроды, выполняющие функцию электронной пушки для получения узкого пучка электронов; отклоняющие луч пластины и экран, покрытый слоем люминофора.

Электронная пушка состоит из катода 1, управляющего (модулирующего) электрода 2, дополнительного, экранирующего электрода 3 и первого и второго анодов 4, 5.

Подогревной катод 1 выполнен в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится нить накала, имеет слой оксида на передней торцевой части с малой работой выхода электронов для получения электронов (рис. 2).

Катод находится внутри управляющего электрода или модулятора, представляющего собой металлический стакан с отверстием в торце, через которое могут проходить электроны. Управляющий электрод имеет отрицательный потенциал относительно катода и, изменяя величину этого потенциала, можно регулировать интенсивность потока электронов, проходящих через его отверстие и тем самым изменять яркость свечения экрана. Одновременно электрическое поле между катодом и модулятором фокусирует пучок электронов (рис. 2).

Экранирующий электрод 3 имеет потенциал немного выше потенциала катода и служит для облегчения выхода электронов, исключения взаимодействия электрических полей управляющего электрода 2 и первого анода 4.

Дополнительная фокусировка и ускорение электронов происходит электрическим полем между первым и вторым анодами, образующими электронную линзу. Аноды эти выполнены в виде цилиндров с диафрагмами внутри. На первый анод 4 подается положительный потенциал по отношению к катоду порядка сотен вольт, на второй 5 порядка тысячи вольт. Линии напряженности электрического поля между этими анодами представлены на рис.3.

Пожалуй, нет такого человека, который бы в своей жизни не сталкивался с приборами, в конструкцию которых входит электронно-лучевая трубка (или ЭЛТ). Сейчас подобные решения активно вытесняются своими более современными аналогами на основе жидкокристаллических экранов (ЖК). Однако существует ряд областей, в которых электронно-лучевая трубка по-прежнему является незаменимой. Например, в высокоточных осциллографах ЖК использовать нельзя. Тем не менее, очевидно одно - прогресс устройств отображения информации в конечном итоге приведет к полному отказу от ЭЛТ. Это вопрос времени.

История появления

Первооткрывателем можно считать Ю. Плюккера, который в 1859 году, изучая поведение металлов при различных внешних воздействиях, обнаружил явление излучения (эмиссии) элементарных частиц - электронов. Формируемые пучки частиц получили название катодных лучей. Также он обратил внимание на возникновение видимого свечения некоторых веществ (люминофор) при попадании на них электронных лучей. Современная электронно-лучевая трубка способна создавать изображение именно благодаря этим двум открытиям.

Через 20 лет опытным путем было установлено, что направлением движения излучаемых электронов можно управлять воздействием внешнего магнитного поля. Это легко объяснить, если вспомнить, что перемещающиеся носители отрицательного заряда характеризуются магнитным и электрическим полями.

В 1895 году К. Ф. Браун доработал систему управления в трубке и тем самым сумел менять вектор направленности потока частиц не только полем, но и особым зеркалом, способным вращаться, что открыло совершенно новые перспективы использования изобретения. В 1903 году Венельт разместил внутри трубки катод-электрод в виде цилиндра, что дало возможность управлять интенсивностью излучаемого потока.

В 1905 году Эйнштейн сформулировал уравнения расчета фотоэффекта и через 6 лет было продемонстрировано работающее устройство передачи изображений на расстояния. Управление лучом осуществлялось а за величину яркости отвечал конденсатор.

Во время начала производства первых моделей ЭЛТ промышленность была не готова создавать экраны с большим размером диагонали, поэтому в качестве компромисса применялись увеличительные линзы.

Устройство электронно-лучевой трубки

С тех пор устройство было доработано, однако изменения носят эволюционный характер, так как ничего принципиально нового в ход работы добавлено не было.

Стеклянный корпус начинается трубкой с конусообразным расширением, образующим экран. В устройствах цветного изображения внутренняя поверхность с определенным шагом покрыта тремя видами люминофора дающими свой цвет свечения при попадании пучка электронов. Соответственно, есть три катода (пушки). Для того чтобы отсеять расфокусировавшиеся электроны и обеспечить точное попадание нужного луча в нужную точку экрана, между катодной системой и слоем люминофора размещают стальную решетку - маску. Ее можно сравнить с трафаретом, отсекающим все лишнее.

С поверхности подогреваемых катодов начинается эмиссия электронов. Они устремляются в сторону анода (электрод, с положительным зарядом), подключенного к конусной части трубки. Далее пучки фокусируются специальной катушкой и попадают в поле отклоняющей системы. Проходя через решетку, падают на нужные точки экрана, вызывая преобразование своей в свечение.

Вычислительная техника

Мониторы с электронно-лучевой трубкой нашли широкое применение в составе компьютерных систем. Простота конструкции, высокая надежность, точная цветопередача и отсутствие задержек (тех самых миллисекунд реакции матрицы в ЖК) - вот их основные преимущества. Однако в последнее время, как уже указывалось, ЭЛТ вытесняется более экономными и эргономичными ЖК-мониторами.

Осциллографическая электронно-лучевая трубка предназначена для отображения на люминесцентном экране электрических сигналов. Изображение на экране служит не только для визуальной оценки формы сигнала, но и для измерения его параметров, а в некоторых случаях - для фиксации его на фотоплёнку.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  Осциллографическая ЭЛТ представляет собой вакуумированную стеклянную колбу, внутри которой находятся электронная пушка , отклоняющая система и люминесцентный экран. Электронная пушка предназначена для формирования узкого пучка электронов и его фокусировки на экран. Электроны испускаются катодом косвенного накала с подогревателем за счет явления термоэлектронной эмиссии . Интенсивность электронного пучка и следовательно яркость пятна на экране регулируется отрицательным относительно катода напряжением на управляющем электроде. Первый анод служит для фокусировки, второй для ускорения электронов. Управляющий электрод и система анодов образуют фокусирующую систему .

  Отклоняющая система состоит из двух пар пластин, расположенных горизонтально и вертикально. К горизонтальным пластинам, которые называются пластинами вертикального отклонения , прикладывается исследуемое напряжение. К вертикальным пластинам, которые называются пластинами горизонтального отклонения , прикладывается пилообразное напряжение от генератора развёртки. Под влиянием образующегося электрического поля летящие электроны отклоняются от своей первоначальной траектории пропорционально приложенному напряжению. Светящееся пятно на экране ЭЛТ рисует форму исследуемого сигнала. Благодаря пилообразному напряжению пятно движется по экрану слева направо.

  Если на вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины подать два различных сигнала, то на экране можно наблюдать фигуры Лиссажу .

  На экране ЭЛТ можно наблюдать различные функциональные зависимости, например вольт-амперную характеристику двухполюсника , если подать на пластины горизонтального отклонения сигнал, пропорциональный приложенному к нему изменяющемуся напряжению, а на пластины вертикального отклонения - сигнал, пропорциональный протекающему через него току.

  В осциллографических ЭЛТ применяется электростатическое отклонение луча, потому что исследуемые сигналы могут иметь произвольную форму и широкий частотный спектр , и применение в этих условиях электромагнитного отклонения невозможно из-за зависимости импеданса отклоняющих катушек от частоты.

  Трубки «низкочастотного» диапазона (до 100 МГц)

  Электростатическая система отклонения таких трубок состоит из двух пар отклоняющих пластин, вертикального и горизонтального отклонения, находящихся внутри ЭЛТ.

  При наблюдении сигналов, имеющих частотный спектр менее 100 МГц, можно пренебречь временем пролёта электронов сквозь отклоняющую систему. Время пролёта электронов оценивается формулой:

  t ≈ l m 2 e U a {\displaystyle t\approx l{\sqrt {\frac {m}{2eU_{a}}}}}

  где e {\displaystyle e} и m {\displaystyle m} - соответственно заряд и масса электрона, l {\displaystyle l} - длина пластин, U a {\displaystyle U_{a}} - напряжение анода.

  Отклонение луча Δ {\displaystyle \Delta } в плоскости экрана пропорционально приложенному к пластинам напряжению U O T {\displaystyle U_{OT}} (считая, что за время пролёта электронов в поле отклоняющих пластин напряжение на пластинах остаётся постоянным):

  Δ = U O T l D 2 U a d {\displaystyle \Delta ={\frac {U_{OT}lD}{2U_{a}d}}}

  где D {\displaystyle D} - расстояние от центра отклонения пластин до экрана, d {\displaystyle d} - расстояние между пластинами.

  В ЭЛТ, используемых для наблюдения редко повторяющихся и однократных сигналов, применяются люминофоры с длительным временем послесвечения.

  Трубки диапазона свыше 100 МГц

  Для быстро меняющихся сигналов синусоидальной формы чувствительность к отклонению начинает уменьшаться, а при приближении периода синусоиды к времени пролёта чувствительность отклонения падает до нуля. В частности, при наблюдении импульсных сигналов, имеющих широкий спектр (период верхней гармоники равен или превышает время пролёта), указанный эффект приводит к искажению формы сигнала из-за разной чувствительности отклонения к разным гармоникам. Увеличением анодного напряжения или уменьшением длины пластин можно сократить время пролёта и уменьшить эти искажения, но при этом падает чувствительность к отклонению. Поэтому для осциллографирования сигналов, частотный спектр которых превышает 100 МГц, отклоняющие системы делаются в виде линии бегущей волны, обычно спирального типа. Сигнал подаётся на начало спирали и виде электромагнитной волны движется вдоль оси системы с фазовой скоростью v f {\displaystyle v_{f}} :

  v f = c h c l c {\displaystyle v_{f}={\frac {ch_{c}}{l_{c}}}}

  где c {\displaystyle c} - скорость света, h c {\displaystyle h_{c}} - шаг спирали, l c {\displaystyle l_{c}} - длина витка спирали. В результате можно исключить влияние времени пролёта, если выбрать скорость пролёта электронов равной фазовой скорости волны в направлении оси системы.

  Для уменьшения потерь мощности сигнала выводы отклоняющей системы таких ЭЛТ делаются коаксиальными . Геометрия коаксиальных вводов подбирается так, чтобы их волновое сопротивление соответствовало волновому сопротивлению спиральной отклоняющей системы.

  Трубки с послеускорением

  Для увеличения чувствительности к отклонению надо иметь невысокое анодное напряжение, однако это приводит к уменьшению яркости изображения из-за снижения скорости электронов. Поэтому в осциллографических ЭЛТ применяют систему послеускорения. Она представляет собой систему электродов, расположенную между отклоняющей системой и экраном, в виде токопроводящего покрытия, нанесённого на внутреннюю поверхность корпуса ЭЛТ.

  Трубки с усилителем яркости

  В широкополосных ЭЛТ, работающих в диапазоне несколько ГГц, для увеличения яркости без потери чувствительности, применяют усилители яркости. Усилитель яркости представляет собой микроканальную пластину, расположенную внутри ЭЛТ перед люминесцентным экраном. Пластина изготовлена из специального полупроводящего стекла с высоким коэффициентом вторичной эмиссии. Электроны пучка, попадая в каналы (диаметр которых много меньше их длины) выбивают из его стенок вторичные электроны. Они ускоряются полем, создаваемым металлическим покрытием на торцах пластины и, попадая на стенки канала, выбивают новые электроны. Общий коэффициент усиления микроканального усилителя может составлять 10 5 … 10 6 . Однако, из-за накопления зарядов на стенках каналов, микроканальный усилитель эффективен только для импульсов наносекундного диапазона, однократных или следующих с малой частотой повторения.

  Шкала

  Для измерения параметров сигнала, воспроизводимого на экране ЭЛТ, отсчёт должен производиться по шкале с делениями. При нанесении шкалы на наружнюю поверхность экрана ЭЛТ, точность измерений снижается из-за параллакса , вызванного толщиной экрана. Поэтому в современных ЭЛТ шкала делается непосредственно на внутренней поверхности экрана, то есть практически совмещается с изображением сигнала.

  Трубки для фотографической регистрации

  Для повышения качества контактного фотографирования сигнала, экран делается в виде стекловолоконного диска. Это решение позволяет переносить изображение с внутренней поверхности на внешнюю с сохранением его чёткости. Расплывание изображения при этом ограничивается диаметром стекловолоконных нитей, который обычно не превышает 20 мкм. В ЭЛТ, предназначенных для фоторегистрации, применяются люминофоры , спектр излучения которых согласован со спектральной чувствительностью фотоплёнки.

  Литература

  • Вуколов Н. И., Гербин А. И., Котовщиков Г. С. Приёмные электронно-лучевые трубки: Справочник.. - М. : Радио и связь, 1993. - 576 с. - ISBN 5-256-00694-0 .
  • Жигарев А. А., Шамаева Г. Т. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы: Учебник для вузов. - М. : Высшая школа, 1982. - 463 с. , ил.

  Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) является тем термоэлектронным прибором, который похоже, не собираются выводить из употребления в ближайшем будущем. ЭЛТ используется в осциллографе для наблюдения электрических сигналов и, конечно, в качестве кинескопа в телевизионном приемнике и монитора в компьютере и радиолокаторе.

  ЭЛТ состоит из трех основных элементов: электронной пушки, являющейся источником электронного луча, отклоняющей луч системы, которая может быть электростатической или магнитной, и люминесцентного экрана, испускающего видимый свет в месте падения электронного луча. Все существенные черты ЭЛТ с электростатическим отклонением отражены на рис. 3.14.

  Катод испускает электроны, и они летят в сторону первого анода A v на который подается положительное относительно катода напряжение в несколько тысяч вольт. Поток электронов регулируется сеткой, отрицательное напряжение на которой определяется требуемой яркостью. Электронный луч проносится сквозь отверстие в центре первого анода, а также сквозь второй анод, на котором действует немного большее положительное напряжение, чем на первом аноде.

  Рис. 3.14. ЭЛТ с электростатическим отклонением. На упрощенной схеме, подключенной к ЭЛТ, показаны регуляторы яркости и фокуса.

  Назначение двух анодов состоит в том, чтобы создать между ними электрическое поле с силовыми линиями, искривленными так, чтобы все электроны луча сходились в одном месте на экране. Разность потенциалов между анодами А 1 и Л 2 подбирается с помощью регулятора фокуса таким образом, чтобы получить на экране четко сфокусированное пятно. Эту конструкцию из двух анодов можно рассматривать как электронную линзу. Подобным образом можно создать магнитную линзу, приложив магнитное поле; в некоторых ЭЛТ фокусировка осуществляется именно так. С большим эффектом этот принцип используется также в электронном микроскопе, где может быть применена комбинация электронных линз, обеспечивающая очень большое увеличение с разрешающей способностью, в тысячу раз лучшей, чем у оптического микроскопа.

  После анодов электронный луч в ЭЛТ проходит между отклоняющими пластинами, к которым можно прикладывать напряжения для отклонения луча в вертикальном направлении в случае пластин Y ив горизонтальном направлении в случае пластин X. После отклоняющей системы луч попадает на люминесцентный экран, то есть на поверхность, покрытую люминофором.

  На первый взгляд, электронам некуда деваться после того, как они ударяются об экран, и можно подумать, что отрицательный заряд на нем будет расти. В действительности этого не происходит, так как энергии электронов в луче достаточно, чтобы вызвать «брызги» вторичных электронов из экрана. Эти вторичные электроны собираются затем проводящим покрытием на стенках трубки. На самом деле с экрана обычно уходит так много заряда, что на нем самом возникает положительный по отношению ко второму аноду потенциал в несколько вольт.

  Электростатическое отклонение является стандартом для большинства осциллографов, но это неудобно в отношении больших ЭЛТ, используемых в телевидении. В этих трубках с их огромными экранами (до 900 мм по диагонали) для обеспечения желаемой яркости требуется разгонять электроны в луче до больших энергий (типичное напряжение высоковольтного

  Рис. 3.15. Принцип действия магнитной отклоняющей системы, используемый в телевизионных трубках.

  источника 25 кВ). Если бы в таких трубках с их очень большим углом отклонения (110°) применялась бы электростатическая система отклонения, то понадобились бы чрезмерно большие отклоняющие напряжения. Для таких приложений стандартом является магнитное отклонение. На рис. 3.15 показана типичная конструкция магнитной отклоняющей системы, где для создания отклоняющего поля используются пары катушек. Обратите внимание на то, что оси катушек перпендикулярны направлению, в котором осуществляется отклонение, в отличие от осевых линий пластин в электростатической отклоняющей системе, которые параллельны направлению отклонения. Это различие подчеркивает, что в электрическом и магнитном полях электроны ведут себя по-разному.